Strumień cieczy - Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne
advertisement
Nauka Stanowisko do badania oporów przepływu płynów stosowanych w technologiach HDD Strumień cieczy a opory przepływu mgr inż. Krzysztof Skrzypaszek Zakład Wiertnictwa i Geoinżynierii WWNiG AGH W W artykule przedstawiono analizę właściwości reologicznych cieczy wykorzystywanych w technologiach HDD. Dokonano przeglądu nowoczesnej aparatury służącej do pomiarów ciśnienia oraz strumienia objętości przepływu cieczy. Porównano nowoczesne urządzenia rejestrujące wyniki badań z aparatury pomiarowej. Przedstawiono koncepcję uniwersalnego stanowiska badawczego służącego zarówno do badań laboratoryjnych, jak i terenowych. Podczas wykonywania sterowanych przewiertów horyzontalnych wykorzystuje się różnego rodzaju płyny technologiczne, takie jak: płuczka wiertnicza, płyny do zabiegów uszczelniających, ciecze balastujące. Celem ich aplikacji jest: • oczyszczanie otworu wiertniczego ze zwiercin, • stabilizacja ściany otworu wiertniczego, • chłodzenie narzędzia oraz sondy pomiarowej, wiercącego • stabilizacja ośrodka skalnego i gruntowego, • zmniejszenie współczynnika tarcia pomiędzy ścianą otworu a elementami w nim się znajdującymi - przewodem wiertniczym, narzędziami wiercącymi, instalowanym rurociągiem, • likwidacja ucieczek płuczki, • balastowanie instalowanego rurociągu. Jednym z ważniejszych zadań inżynierskich podczas wykonywania sterowanych przewiertów horyzontalnych jest ustalenie oporów przepływu podczas przetłaczania płynów technologicznych. Determinowane jest to m.in. dynamicznie zmieniającym się w ostatnich czasach podejściem do opisu właściwości reologicznych płuczek wiertniczych oraz zaczynów cementowych. Nowe dodatki do płynów wiertniczych, często wykorzystujących polimery, powodują, że klasyczne modele reologiczne nie dość dobrze opisują właściwości tych cieczy. Z analizy statystycznej zależności pomiędzy pomiarami naprężeń stycznych i szybkości ścinania obecnie stosowanych cieczy wiertniczych w wielu przypadkach stwierdza się, że nie powinno się stosować liniowych modeli cieczy plastyczno-lepkich (Newtona, Binghama). Znane są bardziej złożone, nieliniowe modele reologiczne (np. wykładniczy model Herschel-Bulkleya), które zdecydowanie lepiej opisują zależność pomiędzy naprężeniami stycznymi a szybkością ścinania w cieczach wiertniczych. Nie ma dla nich jednak dotychczas ustalonych związków pomiędzy strumieniem objętości przepływu cieczy a powstającymi oporami przepływu. Dlatego też na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH stworzono koncepcję stanowiska badawczego (laboratoryjnopolowego), pozwalającego wyprowadzić niezbędne zależności na podstawie przeprowadzonych badań [1, 2, 3]. W tym celu określono warunki brzegowe procesu technologicznego, dokonano koniecznych obliczeń i zakupiono sprzęt badawczy. Podstawowym urządzeniem pomiarowym jest przepływomierz składający się z czujnika elektromagnetycznego oraz przetwornika sygnału. Zdecydowano się na ten rodzaj urządzenia dlatego, że badane ciecze są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego (podstawa działania tego typu przepływomierzy), a cena w stosunku do dokładności pomiaru jest bardzo atrakcyjna w porównaniu z innymi rodzajami tych urządzeń [6]. Do pomiaru różnicy ciśnienia skorzystano z cyfrowych przetworników ciśnienia. Dodatkowo mierzona jest temperatura przepływającej cieczy za pomocą czujnika temperatury. Do zapisu wyników pomiarów wykorzystano cyfrowe rejestratory danych oparte o pamięć Flash. Rys. 1. Przepływomierz elektromagnetyczny: a) zasada działania: 1-rura pomiarowa, 2-cewka magnesująca, 3-wyodrębniony przekrój przepływowy, 4-elektroda pomiarowa, B-indukcja magnetyczna, UM-napięcie na elektrodzie, v-prędkość przepływu Przepływomierze elektromagnetyczne oraz przetworniki ciśnienia Przepływomierze elektromagnetyczne ze względu na stosunkowo wysoką dokładność oraz nie stwarzanie dodatkowych oporów przepływu często stosowane są w różnych gałęziach przemysłu. W przepływomierzu elektromagnetycznym wykorzystuje się zależność pomiędzy wektorem indukcji pola elektromagnetycznego, prędkością strumienia cieczy przewodzącej w tym polu oraz indukowanym na końcach przewodnika napięciem. Z powyższego wynika jednoznacznie, że przepływomierz elektromagnetyczny może być stosowany wyłącznie do pomiarów przepływu płynów przewodzących prąd elektryczny. b) budowa: 1-moduł przetwarzający, 2-obudowa przetwornika, 3-uszczelnienie, 4-moduł przejściowy, 5-cewka magnesująca, 6-pokrywa obudowy miernika, 7-elektroda pomiarowa, 8-obudowa miernika, 9-odcinek pomiarowy, 10-kołnierze, 11-wyjścia kablowe z dławikami Idea pomiaru jest przedstawiona na rys. 1. W kierunku pionowym, prostopadle do osi rury, umieszczone są elektromagnesy generujące pole magnetyczne, którego strumień przenika przez przepływający w rurze czynnik. Prostopadle do osi rury i strumienia magnetycznego zainstalowane są elektrody. Wartość napięcia jest wprost proporcjonalna do iloczynu indukcji magnetycznej, długości wrzesień 2005 www.nbi.com.pl Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne 27 czynnej przewodnika (średnicy rury) oraz prędkości przewodnika (prędkości cieczy). Znając wartość zmierzonego napięcia, indukcję magnetyczną oraz czynną długość przewodnika można określić strumień objętości. Odcinek rurociągu wchodzący w skład przepływomierza jest wyłożony wykładziną izolacyjną. Rura jest wykonana z metalu niemagnetycznego. Najczęściej używanymi materiałami na wykładzinę izolacyjną są: neopren, poliuretan, teflon, linatex i ceramika, natomiast do wytwarzania elektrod stosuje się niemagnetyczną nierdzewną stal, tantal lub stop platyny i irydu. Przetwornik przepływomierza wzmacnia i przetwarza sygnał przepływu, eliminuje pasożytnicze siły elektromotoryczne i kompensuje zmiany w zasilaniu elektrycznym. Konieczność eliminacji różnego typu zakłóceń występujących podczas pomiarów jest m.in. powodem zasilania cewek elektromagnesów prądem przemiennym. W nowszych rozwiązaniach prąd zasilający ma przebieg prostokątny o kierunku zmieniającym się co okres i częstotliwości kilku herców. Zastosowanie przebiegów prostokątnych w połączeniu z mikroprocesorową obróbką sygnału przyczyniło się do szerokiego rozpowszechnienia tych przyrządów. Przepływomierz elektromagnetyczny podlega poważnemu ograniczeniu, jakim jest możliwość stosowania go wyłącznie do pomiarów przepływów płynów przewodzących prąd elektryczny. Jednak dzięki zaawansowanym technologiom, współcześnie budowane urządzenia umożliwiają pomiar większości spotykanych w praktyce technicznej cieczy, są przy tym niewrażliwe na zmiany ich konduktywności. Gęstość oraz lepkość cieczy nie wpływają na dokładność pomiaru, co stanowi niewątpliwą zaletę przepływomierza. Przy zachowaniu osiowej symetrii ruchu płynu kształt profilu prędkości nie ma wpływu na dokładność wskazań. Ta właściwość przepływomierza umożliwia pomiary przepływów płynów o odmiennych właściwościach reologicznych (płuczki polimerowe, emulsyjne), co jest istotną zaletą obok niewrażliwości na lepkość i gęstość cieczy. Przepływomierze elektromagnetyczne umożliwiają pomiary przepływów zawiesin i przepływów wielofazowych, w których faza ciągła przewodzi prąd elektryczny [6]. W skonstruowanym na WWNiG stanowisku badawczym zdecydowano się na przepływomierz z serii MAGFLO firmy Siemens (Danfoss). Zaprojektowano parametry geometryczne przepływomierza, którego konstrukcję zlecono firmie Siemens. O wyborze tego modelu zdecydowały następujące czynniki: Przetworniki ciśnienia Z szerokiego spektrum urządzeń tego typu na rynku w stanowisku badawczym skorzystano z oferty firmy VEGA - z powodu parametrów technicznych. Przetworniki VEGABAR 14 są stosowane do ciągłego pomiaru ciśnienia. Ciśnienie gazu lub ciśnienie hydrostatyczne cieczy działa na membranę ceramiczną przetwornika i wywołuje zmiany pojemności ceramicznej celi pomiarowej. Elektronika przetwornika przetwarza zmiany pojemności celi na sygnał elektryczny (prąd o zakresie 4-20 mA) proporcjonalny do ciśnienia. Dzięki zastosowaniu ceramicznej - pojemnościowej celi pomiarowej CERTEC uzyskano jednocześnie bardzo dużą stabilność długoterminową przetwornika oraz odporność na przeciążenia. W przetworniku VEGABAR 14 istnieje możliwość korekcji „zera” w zależności od pozycji, w jakiej został zamontowany [7]. • przepływomierze elektromagnetyczne MAGFLO są dwuczęściowymi zestawami przeznaczonymi do pomiaru przepływu cieczy posiadających przewodność elektryczną, • metoda pomiaru umożliwia pomiar przepływu mediów o dużej zawartości ciał stałych, • zestaw pomiarowy składa się z czujnika MAG 3100 zamontowanego na rurociągu oraz przetwornika pomiarowego MAG 5000, • czujniki przepływu oferowane są w szerokiej gamie wykonań materiałowych, a także w wielu wariantach przyłączy - kołnierzowe, bez kołnierzy (typu sandwich) oraz ze złączem skręcanym wg DIN11851, Rys. 2. Przepływomierz elektromagnetyczny firmy Siemens (Danfoss) Przepływomierze elektromagnetyczne są urządzeniami bezinercyjnymi, jednak wykorzystanie tej cechy w większości rozwiązań jest niemożliwe. Cyfrowe uśrednianie wyników serii pomiarów umożliwia dodatkową eliminację zakłóceń i fluktuacji sygnału pomiarowego. Jest to proces odznaczający się czasem trwania wykluczającym pomiar bezinercyjny. Rezygnacja z cyfrowej obróbki sygnału w celu zwiększenia szybkości działania jest przeważnie niecelowa. Należy dodać, że przepływomierze elektromagnetyczne są wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne oraz na stalowe elementy sąsiednich konstrukcji, które mogą zakłócić ich autonomiczne pole magnetyczne. 28 • przetworniki pomiarowe przepływomierzy MAGFLO oferowane są w wielu wariantach obudowy - naścienne, typu compact do zabudowy bezpośrednio na czujniku oraz do zabudowy w kasecie 19” lub na elewacji szafy, • przetworniki wyposażone są w wyjście prądowe 4-20 mA, cyfrowe oraz przekaźnikowe sygnalizujące stany awaryjne oraz zmianę kierunku przepływu, • przepływomierze MAGFLO wykrywają i sygnalizują wystąpienie przepływu niepełnym przekrojem rurociągu, • w wykonaniach standardowych przetworniki posiadają stopień ochrony IP67, który może zostać podwyższony do IP68 przy użyciu dodatkowego zestawu uszczelniającego, • czujniki MAG 3100 (z wyjątkiem okładziny PTFE wyposażone są standardowo w uziemione elektrody [6]. Rys. 3. Przetwornik ciśnienia Vegabar 14 firmy Vega Nowoczesne metody gromadzenia danych pomiarowych – cyfrowe rejestratory danych Cyfrowe rejestratory danych należą do nowej generacji urządzeń rejestrujących, odbiegających filozofią rozwiązań od tradycyjnych rejestratorów z zapisem na taśmie papierowej. Całkowicie elektroniczne, o niewielkich wymiarach i masie, bez elementów mechanicznych, z własnym źródłem zasilania gromadzą dane w wewnętrznej półprzewodnikowej pamięci. Do ich programowania oraz odczytu zarejestrowanych danych służą programy zainstalowane w komputerze klasy PC. Programy te zapewniają konfigurację rejestratorów w zakresie czasów próbko- Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne www.nbi.com.pl wrzesień 2005 wania, opóźnienia startu rejestracji, sposobu zapisu pamięci, ustawienia progów alarmowych i ewentualnie komunikacji modemowej. Istnieje możliwość obserwacji zmian rejestrowanych danych w czasie rzeczywistym przy użyciu programu RealTime. Odczyt danych z pamięci rejestratora przez obsługujący program pozwala na obróbkę wykresów poprzez nanoszenie odpowiednich opisów, zaś zastosowanie funkcji zoom umożliwia odczyt zarejestrowanych danych z wielką dokładnością. Format plików z zapisanymi danymi jest odczytywany przez programy kalkulacyjne, np. MS Excel. Połączenie z komputerem odbywa się przez port szeregowy (RS 232C). ków z rozdzielczością 12 bitów (1/4096). Dane mogą być zapisywane w dwóch trybach: w sposób ciągły (po zapełnieniu pamięci najnowsze wyniki zapisywane są w miejsce zapisanych najwcześniej – first-in, first-out) lub aż do zapełnienia pamięci (fill-then-stop). Urządzenia wyposażone są w wewnętrzny zegar który steruje częstotliwością próbkowania sygnału pomiarowego. Cykl pomiaru programowany jest przy konfiguracji rejestratora za pomocą komputera, a wynosi od 8 sekund do 5 dni - seria SmartReader lub od 25/sek. do 8 godzin - seria SmartReader plus. Urządzenia posiadają własne zasilanie (bateria 3,6 V, 1 Ah), które umożliwia ok. 10 lat pracy rejestratora bez wymiany baterii. Wszystkie modele (z wyjątkiem SR9 plus) posiadają wbudowany termistorowy czujnik temperatury, który umożliwia rejestrację temperatury otoczenia dla każdego pomiaru. Rejestratory mogą pracować w temperaturze od -45 do 70 st. C. Do transmisji danych z rejestratora do komputera, konfiguracji rejestratora, analizy i prezentacji wyników pomiarów, ustawiania wartości alarmowych itd. służą oprogramowania: TrendReader for Windows, RealTime Monitor, TalkBack [4, 5]. Koncepcja uniwersalnego stanowiska badawczego służącego do pomiarów laboratoryjnych i badań w terenie Stanowisko badawcze składa się z następujących elementów: • przepływomierza elektromagnetycznego MAGFLO firmy Siemens (Danfoss) składającego się z: - elektromagnetycznego czujnika przepływu Danfoss MAG 3100, - przetwornika MAG 5000; sygnału Danfoss • przetwornika ciśnienia VEGABAR 14 (ciś. max – 6 bar, dokł.-0,25, gwint M20x1,5, IDAM sygnał 4-20 mA) firmy VEGA; • przetwornika ciśnienia VEGABAR 14 (ciś. max – 2,5 bar, dokł.-0.25, gwint M20x1,5, IDAM sygnał 4-20 mA) firmy VEGA; • rejestratora OWL 500 firmy ACR systems; • rejestratora Smartreader Plus firmy ACR systems; • pompy wirnikowej WQ 15-15-2,2 firmy Omnigena o maksymalnej wysokości podnoszenia H=17 m i maksymalnym strumieniu przepływu Q=380 l/min (moc silnika: 2,2 kW); • czujnika temperatury; • unikalnego, przygotowanego na zamówienie zestawu głowic, elementów mocujących i łączących poszczególne elementy (wykonanych w firmie Serwnaft z Krakowa); • oprogramowania Trendreader firmy ACR systems; • oprogramowania Rheo Solution opracowanego na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu; • komputera klasy PC. Zasada działania stanowiska laboratoryjnego jest następująca. Pompa tłoczy płyn umieszczony w zbiorniku (z zamocowanym wewnątrz czujnikiem temperatury) za pomocą gumowego węża do przepływomierza. Za nim znajduje się pierwszy z przetworników ciśnienia. Zarówno przepływomierz, czujnik temperatury, jak i przetwornik ciśnienia współpracują z cyfrowym rejestratorem danych Smartreader plus, do którego są podłączone. Za pierwszym przetwornikiem ciśnienia znajduje się odcinek pomiarowy złożony z wymiennych rur o długości 3 m i różnych dostępnych średnicach. Rury te zakończone są przetwornikiem ciśnienia podłączonym do cyfrowego rejestratora OWL 500. Następnie płyn jest Rys. 4, 5. Rejetratory firmy ACR Systems – OWL 500 i Smartreader Plus Rejestratory danych firmy ACR Systems Inc. przeznaczone są do rejestracji wyników pomiarów wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Dane zapisywane są w postaci cyfrowej w pamięci półprzewodnikowej. Mogą rejestrować standardowe sygnały prądowe i napięciowe, sygnały czujników termoelektrycznych, ilość impulsów, a po zainstalowaniu dodatkowych modułów/czujników: temperaturę, wilgotność względną, ciśnienie, prąd 3-faz. Konfiguracja i odczyt zawartości pamięci rejestratora wykonywana jest poprzez szeregowy port komputera klasy IBM PC. Rejestratory serii SMARTREADER pozwalają na zapis 32768 wyników pomiarów z rozdzielczością 8 bitów (1/256). Seria SMARTREADER plus umożliwia zapis 21500 wyni- Rys. 6. Stanowisko badawcze w laboratorium Zakładu Wiertnictwa WWNiG AGH 1) Zestaw przepływomierza firmy Siemens (Danfoss); 2) Punkty pomiaru ciśnienia-głowice wykonane na zamówienie; 3) Przetworniki ciśnienia; 4) Cyfrowe rejestratory danych podłączone bezpośrednio do komputera; 5) Odcinek pomiarowy (wymienne rury o różnych średnicach otrzymane dzięki uprzejmości firmy DALBIS); 6) Pompa wirnikowa oraz zbiornik na badany płyn wrzesień 2005 www.nbi.com.pl Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne 29 kierowany za pomocą gumowego węża do zbiornika i w ten sposób zamknięty zostaje system cyrkulacyjny. Pomiar polega na identyfikacji w jednym czasie podczas przepływu płynu czterech mierzonych wartości: chwilowego strumienia objętości przepływu, ciśnienia przepływu na początku rur, ciśnienia przepływu na końcu rur oraz temperatury przepływającej cieczy. Zajmują się tym zsynchronizowane cyfrowe rejestratory danych z pewnym krokiem czasowy i magazynują dane w wewnętrznej pamięci typu Flash, która po pomiarze zostaje odczytana za pomocą programu TrendReader przez komputer klasy PC. Po odczycie dane mogą zostać poddane obróbce przy pomocy innych programów (np. Excel, Statistica). Całość aparatury uzupełnia 12-zakresowy lepkościomierz obrotowy typu FANN wraz z programem Rheo Solution, służący do wyznaczania zależności pomiędzy szybkością ścinania cieczy a występującymi w niej naprężeniami stycznymi [8] oraz waga Baroid służąca do pomiaru gęstości cieczy. mówienie w firmie Serwnaft z Krakowa) przepływomierz i przetworniki ciśnienia z elementami przewodu wiertniczego. Całość działa niezależnie od siebie, urządzenia pomiarowe są zsynchronizowane w czasie i mogą pobierać dane z minimalnym krokiem czasowym 0,2 sekundy, bez jakiejkolwiek dodatkowej pomocy. Daje to możliwość sprawnego przeprowadzenia dokładnych badań w krótkim czasie nie zakłócając prac wiertniczych. dziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, dzięki czemu będzie można prowadzić prace naukowo-badawcze nad technologią przepływających cieczy wiertniczych stosowanych przy sterowanych przewiertach horyzontalnych. Dzięki uprzejmości firmy BDC Poland, pierwszymi płynami badanymi w laboratorium są płuczki o nazwie handlowej SwellGel i Swelltonite. Wstępną zgodę na badania podczas prac terenowych wyraziła firma JT-Zakład Bu- Rys. 9. Elementy łączące laboratoryjne urządzenia pomiarowe ze sprzętem wykorzystywanym w warunkach terenowych Podsumowanie Rys. 7. Lepkościomierz typu FANN oraz waga Baroid służąca do pomiaru gęstości cieczy Do badań terenowych wykorzystuje się wszystkie elementy pomiarowe ze stanowiska laboratoryjnego oraz dodatkowo elementy łączące (wykonane na za- Stosowanie nowych receptur płynów wiertniczych stwarza konieczność modyfikacji istniejących (tworzenie nowych modeli reologicznych płynów). Niezbędne staje się również wyznaczanie nie tylko jakościowych, ale również ilościowych związków pomiędzy własnościami tłoczonych cieczy a parametrami hydromechanicznymi przepływu. W celu ustalenia szukanych zależności niezbędne jest skonstruowanie specjalnego stanowiska laboratoryjnego. Stanowisko takie skonstruowano na Wy- dowy Gazociągów z Warszawy. Rezultaty tych badań będą jednym z elementów mojej pracy doktorskiej, którą piszę na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH. Literatura: [1] Bourgoyne A. T., Milheim K. K., Chenevert M. E., Young F. S.: Applied Drilling Engineering, SPE Textbook, 1986. [2] Klotz J. A., Brigham W.E.: To determine Herschel-Bulkley coefficients, Journal of Petroleum Technology, Nov. 1998. [3] Raczkowski J.: Technologia płuczek wiertniczych, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1981. [4] ACR Systems INC: Smartreader Plus Reference Guide, 1999. [5] ACR Systems INC: OWL Reference Guide, 1999. [6] Siemens/Danfoss: Magflo Reference Guide, 2000. [7] VEGA: Vegabar 14 Reference Guide, 2002. [8] Komputerowe wspomaganie wyznaczania modelu reologicznego cieczy – Program Flow-Fluid Coef, NTTB 2-3, 2001. * Praca GUZ. Rys. 8. Oprogramowanie Rheo Solution (stworzone na WWNiG) służące do wyznaczania modelu reologicznego cieczy na podstawie analizy wyników z lepkościomierza typu FANN [8] 30 zrealizowana w ramach Zdjęcia i rysunki: mgr inż. Krzysztof Skrzypaszek Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne www.nbi.com.pl wrzesień 2005
